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GNSS卫星面临的空间碎片碰撞风险分析 ——以伽利略卫星首次规避碎片为例

GNSS；空间碎片；伽利略卫星；TLE；碰撞概率；碰撞规避；

空间碎片问题正得到越来越多的关注，应保护地球轨道、避免出现公海失误，尽力避免或者推迟凯斯勒级联效应的发生，以实现可持续利用太空。空间碎片监测、跟踪、编目等是空间态势感知的重要任务之一，实现空间目标编目数据库的建立和维护，是太空环境治理、空间碎片减缓、碰撞预警等的基础。根据ESA的统计数据，自1957年来全球成功发射火箭次数约为6640，发射卫星数量约为18400，其中目前仍在轨卫星数量约为12540，工作卫星约为10000，累计共发生超过640次的解体爆炸等事件，近地轨道目标总重量超过12400吨。在轨空间碎片的数量按照目标尺寸分类，尺寸10 cm以上约40500个、介于1cm~10cm约110万个、介于1mm~1cm约1.3亿个；与此同时，美国SSN空间监视网维护的目标编目数据库公开数据为36090个(截至2024年6月18日)。

空间碎片越来越多，空间事件愈发频发，事件产生的新碎片又加剧空间碰撞风险。全球范围内大规模卫星星座计划的逐步实现，导致太空环境更加拥挤。为保护在轨空间资产安全，各国都非常关注空间碎片的碰撞风险问题，一般只关注低轨道空间目标的碰撞风险，实际上导航卫星所在的中高轨也已不再安全。2021年3月6日，Galileo卫星GSAT0219在欧洲空间监视系统(EUSST)的支持下采取了轨道机动措施，规避了编号为20170的碎片，机动量约为0.04 m/s，这次机动成功降低了碰撞概率至安全级。经过两次站位保持机动后并于3月19日恢复正常，此为伽利略卫星的首次碰撞规避事件，事件具有标志性的意义，表明导航卫星所处的中高轨区域也不再安全。目前，在轨GNSS导航卫星已达163颗，已经成为重要的时空信息基础设施，对经济、政治、军事具有极其重要的意义，是大国核心竞争力的体现。因此，在空间环境日趋恶化的形势下，防患于未然，研究GNSS卫星面临的空间碎片碰撞风险具有重要意义。

研究目的：设计一种基于公开数据评估GNSS卫星面临的空间碎片碰撞风险的算法，以2021年伽利略卫星的首次碰撞规避事件为例，开展算法评估和验证，研究方法可供相关研究人员参考。方法：首先用以GNSS卫星为例，用其精密星历评估了其TLE预报一周内的轨道精度，基于空间碎片的TLE和GNSS卫星的精密星历，利用解析法和数值法计算卫星和TLE的接近距离，计算机动前后二者的碰撞概率，评估此次事件中伽利略卫星和碎片的碰撞风险。结果：此次事件中，二者最接近距离约为11 km，机动前的碰撞概率大于10^-4，机动后降低至安全水平。结论：设计的算法可行，基于导航卫星精密星历和TLE数据可以初步评估GNSS卫星面临的空间碎片碰撞风险；此次事件中，机动前二者有较高碰撞风险，机动后风险降低至安全水平。